超声联合NaOH预处理小麦秸秆与猪粪混合厌氧发酵特性

2019-09-25薛胜荣杨改河王晓娇

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2019年9期

赵楠，薛胜荣，杨改河，王晓娇

(1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100)

我国是一个农业大国，全年粮食种植面积11 222 万hm2，其中小麦种植面积2 399万hm2，成为世界上秸秆资源最丰富的国家之一[1]。秸秆的碳素含量很高，一般C/N在50∶1以上，主要由纤维素、半纤维素、木质素和植物蜡质等化合物组成，正常条件下不容易消化分解，厌氧分解慢，产气周期长[2]。研究表明，预处理能够打破秸秆的结构生态，增加微生物以及微生物分解的酶类物质与纤维接触的比表面积，提高水解速率，促进发酵进程[3]。宋籽霖等[4]对秸秆进行预处理后发现，厌氧发酵的产气速率、累积产气量和甲烷含量都有明显的增加。预处理方法中，NaOH预处理使用较为普遍，且有很好的效果[5]，但NaOH预处理在提高甲烷产量的同时，高浓度NaOH会腐蚀设备且会造成二次污染，增加了处理成本。超声波作为一种物理预处理，是一种清洁有效的预处理方法。兰艳艳[6]、邹书珍等[7]研究均表明，超声波预处理能提高秸秆发酵的累积产气量和产气效率。而将NaOH与超声波联合预处理作物秸秆，能否在提高产气效果的同时减小NaOH的用量，此方面的研究则鲜有报道。

除对秸秆预处理外，多物料混合发酵也是提高发酵效率的有效方式。大量研究表明，秸秆与牛粪[8]、猪粪[9]、餐厨垃圾[10]等原料混合后，均表现出提高甲烷产量的协同效应，总体产气效率显著高于单一发酵。由于预处理与混合发酵对促进生物质产气率都有积极的促进作用，而两者联合应用是否具有更好的效果，这方面研究也较少。付嘉琦等[5]通过碱预处理稻秆与猪粪混合厌氧发酵，累积甲烷产量达到了 340.95 mL/g，高于单一原料发酵以及未处理稻草与猪粪混合发酵的甲烷产量。周莎[11]用醋酸对小麦秸秆预处理后与粪便混合发酵，发现混合发酵过程中的pH值更加稳定，挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)与氨态氮的比值远低于单独发酵组。Hassan等[12]将NaOH预处理的玉米秸秆与鹅粪按照3∶2，2∶3，1∶4 体积比混合发酵，甲烷产量较对照分别提高了86.1%，92.1%和83.1%。

NaOH浓度会影响秸秆预处理效果。王小韦[13]发现，随NaOH浓度的增大，能够有效增加小麦秸秆中可溶组分进入水相中的速率，并在4% NaOH处理下获得最大值。在稻秸和蓝藻混合厌氧发酵产沼气研究中，吴强等[14]、刘爱民等[15]均采用6% NaOH对稻秸进行预处理，但其产气效果差异大，主要原因在于稻秸和蓝藻混合配比不同。目前此方面研究未突出预处理的作用，或者未突出发酵原料混合配比的影响，即对预处理强度与发酵原料混合配比间的交互作用未进行过多关注；而优化两者交互作用，可能是保证高产气率，同时降低预处理强度以节省能源或资源投入的有效方法。因此，本试验研究了3种含量的NaOH单独预处理及其联合15 min超声预处理对小麦秸秆的效果，在此基础上分析了预处理小麦秸秆与猪粪不同配比下的混合厌氧发酵效果，旨在明确NaOH处理和超声处理是否存在协同作用，以及预处理与发酵原料混合配比间的交互作用，进而为小麦秸秆预处理以及多物料发酵技术研究提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 发酵原材料

发酵的原料为小麦秸秆、猪粪、沼液，均取自陕西杨凌西北农林科技大学周边的农户家和养殖场。接种物是用鲜猪粪与沼液混合在室温密闭驯化7 d得到的。

1.2 试验装置

试验装置为陕西省循环农业工程技术研究中心试验室自行设置的可控恒温厌氧发酵装置[16](图1)。该装置主要由温控、发酵、集气3部分构成，各装置间用玻璃管和橡胶管连接。采用1 L抽滤瓶作为发酵瓶，集气装置由1 000 mL的三角瓶和1 000 mL的量筒连接而成。将准备好的发酵装置放置于水槽内，用1 000 W地热丝水浴加热，智能温度控制仪(PC-1000)和继电器控制显示发酵温度，温度波动范围为±1 ℃。

1.控温箱;2.控温传感器;3.温度加热丝;4.恒温水槽;5.取样口;6.导气管;7.排气口;8.导水管;9.发酵基质;10.发酵瓶;11.集气瓶;12.集水瓶;13.水1.Temperature controlling box;2.Temperature sensor;3.Strip heater;4.Thermostatic water tank;5.Taking sampling;6.Airway tube;7.Air outlet;8.Water pipe;9.Substrate;10.AD reactor;11.Biogas collecting bottle;12.Water collecting bottle;13.Water

1.3 试验设计

预处理前将风干的小麦秸秆剪碎至长度2～3 cm的小段后置于塑料小桶中，预处理分为0%，3%，6% NaOH单独处理及0%，3%，6% NaOH联合超声波(KH-250B型超声波清洗器(250 W))处理(以下简称联合预处理)，预处理过程中小麦秸秆密封置于塑料桶内，每天对各桶内的小麦秸秆手动搅拌5 min，预处理时间为5 d。预处理完成后，用扫描电镜(JSM-6360LV，日本电子株式会社)观察小麦秸秆表层结构的变化。将不同的预处理小麦秸秆与猪粪按照2∶1，1∶1，1∶2比例(质量比，下同)混合进行发酵80 d，每个比例设置3个重复，具体试验设计如表1所示。发酵液总量为600 mL，干物质浓度为8%，发酵温度为35 ℃。

1.4 测定项目及方法

发酵过程中，每天采用排水法定时测量产气量；每5 d为1个周期，取样测定挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)、碱度、pH，取样时从出样口取出，保证整个过程不和空气接触。

日产气量和累积产气量：日产气量采用排水法测定，每天19:00定时测定水的体积。累积产气量为每日产气量总和。

VFA质量浓度采用比色法测定[17]；碱度采用甲酚绿-甲基红指示剂滴定法测定[18]；pH值采用pHs-3CT型智能pH计测定。

表1 预处理小麦秸秆与猪粪配比的试验设计Table 1 Experiment design of straw and pig manure under treatments

2 结果与分析

2.1 不同预处理对小麦秸秆表层结构的影响

从图2可以看出，在100倍扫描电镜下，CK小麦秸秆表层光滑、纹理缜密，而经过NaOH单独预处理或NaOH与超声波联合预处理的小麦秸秆表层较为粗糙。在1 000倍扫描电镜下，CK处理的小麦秸秆表层光滑、没有破损，而经过NaOH单独预处理或NaOH与超声波联合预处理的小麦秸秆表层表现出不同程度的破损，孔洞大小不一。在同一含量NaOH下，附加超声处理的小麦秸秆表层出现的孔洞明显比NaOH单独预处理多；随着NaOH含量的升高，小麦秸秆表层出现的孔洞直径逐渐增大。

2.2 不同预处理对小麦秸秆与猪粪配比混合发酵效果的影响

2.2.1 日产气量的动态变化图3显示，从发酵开始，各处理的日产气量均在第3天左右达到第1次峰值，在第8天左右下降到最低值；随着水解酸化的进行，各处理的日产气量又出现第2次高峰，但出现高峰时间差异较大。CK和 CK+处理下，小麦秸秆与猪粪按照2∶1，1∶1，1∶2比例混合发酵处理日产气量达到第2次峰值的时间依次是32，22，20 d和19，19，21 d。可知当小麦秸秆与猪粪按照2∶1和1∶1比例混合时，CK+达到第2次峰值的时间早于CK；当按照1∶2比例混合时，CK+与CK处理达到第2次峰值的时间基本相同。3%和3%+处理下，小麦秸秆与猪粪按照2∶1，1∶1，1∶2比例混合发酵处理日产气量达到第2次高峰的时间依次是24，28，29 d和19，28，30 d，可知联合预处理缩短了2∶1配比组的发酵进程，但对其余配比组无明显影响。6%和6%+处理下，小麦秸秆与猪粪按照2∶1，1∶1，1∶2比例混合发酵处理日产气量出现第2次高峰的时间依次为18，31，30 d和23，22，30 d，可知联合预处理会明显缩短1∶1配比组的发酵进程。可见联合预处理对发酵进程的影响明显依赖于原料配比，而随NaOH含量的增加，单独NaOH预处理组也仅在2∶1配比下使产气高峰提前；与CK和CK+相比，NaOH单独预处理或与超声波联合预处理组在1∶1和1∶2配比下均延迟了产气高峰的出现，但前者产气高峰值显著高于后者。

A1-A6(100×)和B1-B6(1 000×).分别为0% NaOH，3% NaOH，6% NaOH以及0% NaOH+超声预处理15 min，3% NaOH+超声预处理15 min，6% NaOH+超声预处理15 min A1-A6(100×)和B1-B6(1 000×).0% NaOH， 3% NaOH，6% NaOH，0% NaOH+15 min ultrasonic，3% NaOH+15 min ultrasonic，6% NaOH+15 min ultrasonic图2 不同预处理小麦秸秆表层结构的扫描电镜观察结果Fig.2 Images of wheat straw surface structure examined by scanning electron microscopy

2.2.2 累积产气量的变化如图4所示，在NaOH单独预处理组或与超声波联合处理组中，当小麦秸秆与猪粪按照2∶1，1∶1比例混合时，随NaOH含量的增加，累积产气量均呈增大趋势；当小麦秸秆与猪粪按照1∶2比例混合时，NaOH单独预处理组中CK组累积产气量最大，而联合预处理组中3%+处理累积产气量最大。当小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合时，CK+处理累积产气量(10 384 mL)显著高于CK(8 101 mL)，表明超声波预处理对猪粪与小麦秸秆混合发酵效果有促进作用；当小麦秸秆与猪粪按照1∶1比例混合时，CK+处理累积产气量仅较CK提高了3.7%；当小麦秸秆与猪粪按照1∶2比例混合时，CK+累积产气量反而低于CK。当小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合时，3%+处理累积产气量较3%处理提高了2.0%,6%+处理累积产气量较6%处理提高了4.2%;当小麦秸秆与猪粪按照1∶1和1∶2比例混合时，3%+处理累积产气量低于3%处理，同时6%+处理累积产气量也低于6%处理。6%和6%+处理小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合时累积产气量均达到最大值，分别为15 179和15 811 mL，较相应对照分别提高了87.4%和52.3%。

图3 不同预处理对小麦秸秆与猪粪配比混合发酵日产气量的影响Fig.3 Changes of daily gas production under different treatments

图4 不同预处理对小麦秸秆与猪粪配比混合发酵累积产气量的影响Fig.4 Change of accumulated gas production under different treatments

2.2.3 pH、碱度和VFA的动态变化图5显示，随着发酵时间的推移，pH呈逐渐升高的趋势。在整个发酵过程中，当小麦秸秆与猪粪配比分别为2∶1，1∶1和1∶2时，NaOH单独预处理的pH分别为5.6～7.7，5.6～7.6，5.7～7.7，NaOH与超声波联合预处理的pH分别为5.7～7.9，5.6～7.6，5.7～7.7，可见NaOH单独预处理及其与超声波联合预处理的pH并无明显差异。大体来看，小麦秸秆与猪粪按照1∶2比例混合时的pH值低于其余2个配比。

图5 不同预处理小麦秸秆与猪粪配比混合发酵过程中pH值的动态变化Fig.5 Dynamic change of pH value under different treatments

图6显示，不同预处理碱度在发酵的前期均有不同程度的增加，变动幅度较大，在发酵后期变动幅度较小，基本趋于平缓。不论是NaOH单独预处理还是其与超声波联合预处理，总体上NaOH含量高时，发酵体系中碱度较高，当NaOH含量为6%时，碱度达到6.2 mg/L，但这种规律在整个发酵周期不同配比间并不总是一致。当小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合时，碱度增加速率最快，并在整个发酵期内总体较高，其次是1∶1配比组，1∶2配比组最低。

图7显示，VFA质量浓度在发酵过程前期变动幅度较大，发酵后期VFA质量浓度变动幅度较小。发酵前期，所有处理组VFA质量浓度在5和15 d均出现高峰，且表现为NaOH处理组VFA质量浓度高于CK组。CK处理下，小麦秸秆与猪粪不同配比组的VFA质量浓度在15 d后总体呈下降趋势；而3%和6%处理下，小麦秸秆与猪粪不同配比组的VFA质量浓度均在25 d出现高峰(除6%1∶1处理外)，之后呈下降趋势。在发酵前40 d，NaOH含量的影响比较明显， 6%处理小麦秸秆与猪粪不同配比组的VFA质量浓度均高于3%处理，CK各配比组最低；在发酵后40 d，各处理VFA质量浓度变化无明显规律。可见经过预处理后提高了小麦秸秆的降解，且在6%处理下降解更彻底，导致VFA质量浓度较高。联合预处理VFA质量浓度无明显增加，可知超声波辅助处理并未明显增加混合体系原料的降解程度。总体上各预处理1∶1和1∶2配比组的VFA质量浓度接近，最高VFA质量浓度在25.11～31.35 mg/L，2∶1配比组最高VFA质量浓度在23.12～28.45 mg/L，可见1∶1与1∶2配比组的VFA质量浓度高于2∶1配比组。

图6 不同预处理小麦秸秆与猪粪配比混合发酵过程中碱度的动态变化Fig.6 Dynamic changes in alkalinity values under different treatments

3 讨论

3.1 小麦秸秆表层结构对不同预处理的反应规律

研究表明，NaOH处理能够有效提高秸秆中木质纤维素的降解效率，原因是NaOH处理能够在一定程度上改变原料的化学特性、物理结构和基本分子构架[19]。NaOH处理使得作物秸秆单位面积上的孔洞数增加，有效改变了秸秆表面木质素的结构，打断了木质素、纤维素和半纤维素紧密连接的酯键，同时木质素也被进一步移除[20-22]。本研究发现，未进行预处理的小麦秸秆表面光滑、结构连续，呈现严格的排序。冯磊等[23]发现，超声波预处理能够改变秸秆内部结构，其空化作用能够对纤维素的结构产生一定的破坏作用，便于微生物的利用，有利于提高秸秆厌氧发酵的进程，从而提高秸秆发酵的产气量和产气率，同时还能缩短产气时间。本试验结果表明，NaOH单独预处理的小麦秸秆表层出现破损，且随着NaOH含量的升高，小麦秸秆表层出现的孔洞直径逐渐增大；经过超声波和NaOH联合预处理的小麦秸秆表层表现出不同程度的破损，孔洞大小不一，小麦秸秆表层出现的孔洞明显比NaOH单独预处理的多。

3.2 不同预处理对小麦秸秆与猪粪混合发酵产气的影响

本试验结果表明，预处理后的小麦秸秆与猪粪混合发酵较不处理小麦秸秆发酵有明显的产气优势。从发酵开始，各处理的日产气量均在第3天达到第1次峰值，在第8 天又都下降到最低值，随着水解酸化的进行，供产甲烷菌利用的小分子营养物质增多，产气量逐渐回升。预处理对产气高峰出现时间及发酵进程的影响明显依赖于发酵原料的配比，当小麦秸秆与猪粪按照2∶1比例混合时，NaOH单独预处理使产气高峰提前，这可能是因为预处理过程分解了小麦秸秆中部分大分子物质，加快了酸化进程，进而为甲烷菌的生长繁殖创造了良好条件；但与CK和CK+相比，NaOH单独预处理或与超声波联合预处理延迟了小麦秸秆与猪粪配比为1∶1和1∶2时的产气高峰，这可能是由于这2个配比下秸秆占比降低，猪粪占比增加，猪粪发酵容易酸化，很快被微生物分解，而秸秆中的纤维素还没有被利用，产甲烷菌的数目远远小于不产甲烷菌的数目，不产甲烷菌类产生的VFA不能及时得到利用，导致发酵体系中的酸富集，进而出现酸抑制，这与张鸣等[24]的研究结果相一致。在发酵过程中，小麦秸秆与猪粪配比为1∶1和1∶2时VFA质量浓度高于2∶1配比组，预处理组VFA质量浓度高于未处理组，进一步论证了以上产气差异的原因。未预处理时，小麦秸秆与猪粪配比为1∶2时累积产气量最高；而预处理后，小麦秸秆与猪粪配比为2∶1时累积产气量最高，且相对于该配比下的未预处理组显著提升。这说明秸秆预处理与原料配比对产气效果影响存在交互作用，而显然这种交互作用对优化秸秆与猪粪发酵过程中VFA积累与转化，进而影响产甲烷效率有重要影响。

图7 不同预处理小麦秸秆与猪粪配比混合发酵过程中VFA质量浓度的动态变化Fig.7 Dynamic change of VFA content under different treatments

3.3 不同预处理发酵产气过程中pH、碱度和VFA的变化

本研究中，在整个发酵期间，各处理的pH为5.6～7.9，未出现明显差异。产甲烷菌的最适生长 pH 值为6.8～7.8[25]。本研究中，由于在发酵初期酸碱环境不能满足产甲烷菌生长繁殖，导致产气量低，一直到第5天左右pH值呈上升趋势，表明厌氧发酵经历了短暂的酸化水解阶段后，pH值迅速回升[4]，伴随着第1次产气高峰出现之后pH值呈现波动性变化；第2次产气高峰后pH值变化趋于平缓。总体来看，由于猪粪含量高的处理在中温发酵中酸化强烈，小麦秸秆与猪粪配比为1∶2处理的pH低于其余2个配比组。

在厌氧发酵过程中，系统碱度对发酵过程中出现的过酸过碱物质能起到一定的缓冲作用，认为碱度是衡量发酵体系缓冲能力的尺度[9,26]。碱度越高，发酵液的缓冲能力越强[18]。本试验结果表明，碱度在发酵初期和结束时都保持在2.0～3.5 mg/L，随着发酵的进行呈现一定的波动性。小麦秸秆预处理后明显提高了发酵系统的碱度，其中6%处理下各配比组的碱度最高，这可能归于预处理体系中NaOH的引入对碱度的提升起到作用。小麦秸秆与猪粪配比为2∶1时碱度最高，可见在该配比下，发酵系统的缓冲能力强，其厌氧发酵产气也比较稳定。

在厌氧发酵过程中，VFA是生物代谢的重要中间产物，甲烷菌主要利用VFA形成甲烷[27]。本研究中，各处理VFA质量浓度均在发酵第5天达到第1次高峰，过量的VFA累积导致了发酵液中pH值降低，使甲烷菌生长受到抑制；之后随着发酵的进行，VFA被逐渐消耗，pH值缓慢升高，产气量也增加。经预处理小麦秸秆与猪粪混合后VFA质量浓度提升，且大多处理会在25 d左右再次出现VFA高峰，主要原因是经预处理后小麦秸秆降解更彻底。小麦秸秆与猪粪配比为1∶1和1∶2时VFA质量浓度高于2∶1配比组，这可能是由于前2个配比体系缓冲能力弱，体系发生酸化抑制，对产甲烷菌繁殖产生一定程度抑制，进而导致VFA利用率低，产气效果弱于2∶1配比组。